JPH06291114A - Semiconductor device - Google Patents
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- JPH06291114A JPH06291114A JP9717693A JP9717693A JPH06291114A JP H06291114 A JPH06291114 A JP H06291114A JP 9717693 A JP9717693 A JP 9717693A JP 9717693 A JP9717693 A JP 9717693A JP H06291114 A JPH06291114 A JP H06291114A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関するも
のであり、特に、半導体装置を保護するパッシベーショ
ン膜に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a passivation film for protecting the semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体装置における表面保護膜の形成、
すなわちパッシベーション技術は、半導体装置に悪影響
を及ぼす、たとえば水分やアルカリイオンなどの種々の
外乱から半導体装置を保護するものであり、装置の信頼
性を左右する非常に重要な技術である。2. Description of the Related Art Formation of a surface protective film in a semiconductor device,
That is, the passivation technique protects the semiconductor device from various disturbances such as moisture and alkali ions that have an adverse effect on the semiconductor device, and is a very important technique that affects the reliability of the device.
【0003】これまでパッシベーション膜としては様々
なものが検討されてきた。中でもプラズマ化学的気相成
長法(プラズマCVD法)によるシリコン窒化膜が、耐
湿性が比較的良いことやアルカリイオンのブロッキング
特性に優れていることから注目されている。しかしなが
ら一般にプラズマCVD法によるシリコン窒化膜は、5
×109dyn/cm2という大きな圧縮応力を有するこ
とから、このようなシリコン窒化膜を半導体基板上に形
成すると、シリコン窒化膜にクラックが発生したり、半
導体基板に反りが生じたり、さらには金属配線のストレ
スマイグレーションによる断線の原因にもなっていた。
また、プラズマCVD法によるシリコン窒化膜は、その
成膜原料ガスとしてSiH4、NH3等を用いることに加
えて、プラズマ密度の小さいRF放電プラズマを用いて
いることから、生成された膜中に多量の水素を含むこと
は避けられず、耐湿性が充分に優れているとはいえず、
半導体素子の特性を劣化させ、その信頼性を低下させる
原因となっていた。Various types of passivation films have been studied so far. Among them, a silicon nitride film formed by a plasma chemical vapor deposition method (plasma CVD method) has attracted attention because it has relatively good humidity resistance and excellent alkali ion blocking characteristics. However, in general, a silicon nitride film formed by plasma CVD is 5
Since it has a large compressive stress of × 10 9 dyn / cm 2 , when such a silicon nitride film is formed on a semiconductor substrate, cracks occur in the silicon nitride film, warp occurs in the semiconductor substrate, and further, It was also a cause of disconnection due to stress migration of metal wiring.
In addition, since the silicon nitride film formed by the plasma CVD method uses SiH 4 , NH 3, etc. as a film forming material gas, and also uses RF discharge plasma having a low plasma density, Including a large amount of hydrogen is unavoidable, it cannot be said that the moisture resistance is sufficiently excellent,
It has been a cause of deteriorating the characteristics of the semiconductor element and lowering its reliability.
【0004】そこで、たとえば特開平2−168621
号公報に示されるように、気相成長リンガラス膜(CV
D−PSG膜)を下層とし、その上層にシリコン窒化膜
を形成した2層構造のパッシベーション膜が用いられる
ことが多い。このような2層構造のパッシベーション膜
においては、その特性として引張り応力を有するPSG
膜と、圧縮応力を有するSiN膜を積層構造とすること
により、両者の応力を相殺してクラックの発生等を防止
しようとするものである。Therefore, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-168621.
As shown in Japanese Patent Laid-Open Publication No.
A D-PSG film) is used as a lower layer, and a passivation film having a two-layer structure in which a silicon nitride film is formed on the lower layer is often used. In such a two-layered passivation film, PSG having tensile stress as its characteristic
By forming the film and the SiN film having a compressive stress into a laminated structure, the stresses of the both are offset to prevent the occurrence of cracks.
【0005】しかしながら、上記の従来の技術に記載の
パッシベーション膜では、シリコン窒化膜の形成は依然
としてプラズマCVD法により行なっているので、上述
したように耐湿性は充分に優れているとはいえないもの
である。さらに、上記の従来の技術に記載のパッシベー
ション膜では、気相成長リンガラス膜とシリコン窒化膜
の2層構造としているために、気相成長リンガラス膜成
膜用の装置とシリコン窒化膜成膜用の装置の2つを使用
しなければならず、製造工程も複雑化してしまい、その
ために完成した半導体装置の特性や信頼性の低下を招く
という問題があった。本発明は、上記の問題点を解決す
るためになされたものであり、製造工程が少ない単層
で、水素含有量が少なく、かつ、応力が小さく耐湿性に
優れたパッシベーション膜を備えることにより、特性及
び信頼性の非常に優れた半導体装置を提供することを目
的とする。However, in the passivation film described in the above-mentioned conventional technique, the silicon nitride film is still formed by the plasma CVD method, so that it cannot be said that the moisture resistance is sufficiently excellent as described above. Is. Further, since the passivation film described in the above-mentioned conventional technique has a two-layer structure of a vapor-grown phosphorus glass film and a silicon nitride film, a device for vapor-phase grown phosphorus glass film formation and a silicon nitride film formation Therefore, there is a problem in that the manufacturing process is complicated and the characteristics and reliability of the completed semiconductor device are deteriorated. The present invention has been made to solve the above problems, a single layer with a small number of manufacturing steps, a low hydrogen content, and, by providing a passivation film having a small stress and excellent moisture resistance, It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having extremely excellent characteristics and reliability.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、金属配線層上
にシリコン窒化膜を有する半導体装置において、前記シ
リコン窒化膜における膜中含有水素がN−H結合状態お
よびSi−H結合状態で存在し、前記N−H結合状態の
水素量と前記Si−H結合状態の水素量との比である
(N−H)/(Si−H)の値が前記シリコン窒化膜の
表面側で基板側より小さいことを特徴とするものであ
る。また本発明は、前記半導体装置において、前記シリ
コン窒化膜はECR−CVD法により形成したことを特
徴とするものである。According to the present invention, in a semiconductor device having a silicon nitride film on a metal wiring layer, hydrogen contained in the silicon nitride film exists in an N--H bond state and a Si--H bond state. The value of (N-H) / (Si-H), which is the ratio of the amount of hydrogen in the N-H bond state to the amount of hydrogen in the Si-H bond state, is on the surface side of the silicon nitride film on the substrate side. It is characterized by being smaller. Further, the invention is characterized in that, in the semiconductor device, the silicon nitride film is formed by an ECR-CVD method.
【0007】[0007]
【作用】この発明によれば、応力が小さく耐湿性に優れ
たパッシベーション膜を、製造工程が少ない単層で、か
つ水素含有量が少なくなるように得ることができるの
で、特性及び信頼性の非常に優れた半導体装置を得るこ
とができる。According to the present invention, a passivation film having a small stress and excellent moisture resistance can be obtained in a single layer having a small number of manufacturing steps and with a low hydrogen content, so that the characteristics and reliability can be improved. An excellent semiconductor device can be obtained.
【0008】[0008]
【実施例】図1に本発明の基本的な構成を表す半導体装
置の断面図を示す。1は半導体基板、2は絶縁膜、3は
たとえばアルミニウムなどで形成される金属配線層、4
はシリコン窒化膜である。これは、パッシベーション膜
としてのシリコン窒化膜4が金属配線層3上に形成され
ている様子を示している。シリコン窒化膜は、その成膜
条件によって膜特性が大きく変化する。その様子を、C
VD法によって作成されたシリコン窒化膜を例にとり、
詳細に説明する。1 is a sectional view of a semiconductor device showing the basic structure of the present invention. 1 is a semiconductor substrate, 2 is an insulating film, 3 is a metal wiring layer formed of aluminum or the like, 4
Is a silicon nitride film. This shows that the silicon nitride film 4 as a passivation film is formed on the metal wiring layer 3. The film characteristics of the silicon nitride film greatly change depending on the film forming conditions. The situation is C
Taking a silicon nitride film formed by the VD method as an example,
The details will be described.
【0009】図2は成膜原料ガスとしてSiH4とN2を
用いて、通常行なわれているRF放電プラズマによるプ
ラズマCVD法に代えて、電子サイクロトロン共鳴CV
D法(ECR−CVD法)により形成したシリコン窒化
膜の赤外吸収スペクトルであり、横軸を波数、縦軸を透
過率として示してある。なお、透過率の単位は任意単位
として示してある。ECR−CVD法は以下の原理によ
って達成される成膜方法である。FIG. 2 shows an electron cyclotron resonance CV in which SiH 4 and N 2 are used as film forming source gases, instead of the conventional plasma CVD method using RF discharge plasma.
It is an infrared absorption spectrum of a silicon nitride film formed by the D method (ECR-CVD method), where the horizontal axis is the wave number and the vertical axis is the transmittance. The unit of the transmittance is shown as an arbitrary unit. The ECR-CVD method is a film forming method achieved by the following principle.
【0010】一般に静電場中を運動する電子はローレン
ツ力を受け、回転運動を行なう。この運動の周波数と、
印加するマイクロ波の周波数、たとえば2.45GHz
とを一致させたとき共鳴吸収が起こり、マイクロ波エネ
ルギーが電子の運動に効率よく吸収される。これが電子
サイクロトロン共鳴現象(ECR現象)であり、その条
件は次のように表すことができる。 w=w0 w0=eB/m w:マイクロ波の角周波数 w0:電子サイクロトロン角周波数 e:電子の電荷量 B:共鳴条件の磁束密度 m:電子の質量 以上の条件からマイクロ波の周波数が2.45GHzの
場合、共鳴条件の磁束密度は875ガウスとなる。EC
Rプラズマ中で回転運動する成膜原料ガスの共鳴電子は
反磁性的効果を示し、発散磁界と相互作用しながら、そ
の磁力線に沿って加速される。プラズマが準中性である
ために、成膜原料ガスの電子およびイオンは磁界中で等
しい加速度を持ち、電子と共にイオンも磁界の外に加速
されて、膜を成長させるべく半導体基板にプラズマ流と
して入射し、基板表面に対してプラズマ処理が行なわれ
る。このようにして通常のプラズマCVD法と比較し、
効率良く成膜を行なうことができる。Generally, an electron moving in an electrostatic field receives a Lorentz force and makes a rotational movement. The frequency of this movement,
Frequency of microwave applied, eg 2.45 GHz
When and are matched, resonance absorption occurs, and microwave energy is efficiently absorbed by electron motion. This is the electron cyclotron resonance phenomenon (ECR phenomenon), and its condition can be expressed as follows. w = w 0 w 0 = eB / m w: angular frequency of microwave w 0 : angular frequency of electron cyclotron e: amount of charge of electron B: magnetic flux density of resonance condition m: mass of electron Frequency of microwave from the above conditions Is 2.45 GHz, the magnetic flux density under the resonance condition is 875 Gauss. EC
Resonant electrons of the film forming raw material gas that rotate in R plasma exhibit a diamagnetic effect and are accelerated along the lines of magnetic force while interacting with the divergent magnetic field. Since the plasma is quasi-neutral, the electrons and ions of the film forming source gas have the same acceleration in the magnetic field, and the ions are accelerated out of the magnetic field together with the electrons, forming a plasma flow on the semiconductor substrate to grow the film. Upon incidence, plasma treatment is performed on the substrate surface. In this way, compared with the normal plasma CVD method,
A film can be formed efficiently.
【0011】図2にはSiH4/(SiH4+N2)の流
量比の値を0.15、0.20、0.25、0.33と
し、他は同一の条件で成膜したシリコン窒化膜の赤外吸
収スペクトルを示している。シリコン窒化膜中に取り込
まれた水素は、N−H結合またはSi−H結合の状態で
存在し、図2においてそれぞれ3350cm-1付近およ
び2160cm-1付近に吸収のピークが現われている。
この結果からSiH4の各流量比によって、それぞれの
結合状態に起因するピークの大きさが変化する様子が見
られる。N−H結合およびSi−H結合のピーク面積を
もとに、N−H結合状態の水素およびSi−H結合状態
の水素の量はそれぞれ以下の式で求められることが知ら
れている。ここで、水素の量とは水素の原子数である。
(W.A.Lanford et al:J. App
l.Phys.Vol.49,No.4,April
1978参照) (N−Hピーク面積)×1.4×1.36×1017
(個/cm2) (Si−Hピーク面積)×1.36×1017
(個/cm2) 上記の式にしたがってN−Hピーク面積、Si−Hピー
ク面積から得られた水素の量の値をシリコン窒化膜の膜
厚で割って、それぞれの結合状態の水素含有量を(個/
cm3)として求めたものが図3である。図3において
は、他の成膜条件を同一とした場合のSiH4/(Si
H4+N2)の流量比の値を横軸として、SiH4の流量
比を変化させたときのシリコン窒化膜中におけるN−H
結合状態およびSi−H結合状態の水素量の値を縦軸に
とってある。また、Totalとして示してあるのは、
N−H結合状態の水素量とSi−H結合状態の水素量と
の総和である。この結果から、SiH4の流量比とN−
H結合状態の水素量およびSi−H結合状態の水素量と
の間には相関関係があり、SiH4の流量比を増加させ
るとN−H結合状態の水素量は減少し、逆にSi−H結
合状態の水素量は増加することがわかった。さらに、N
−H結合状態の水素量とSi−H結合状態の水素量との
総和は減少することがわかった。また、SiH4/(S
iH4+N2)の流量比の値に対する、N−H結合状態の
水素量とSi−H結合状態の水素量の比である(N−
H)/(Si−H)の値も併せて示してあるが、SiH
4の流量比の増加にしたがって(N−H)/(Si−
H)の値は急激に減少して1以下の値に飽和する傾向に
あることもわかった。In FIG. 2, the value of the flow rate ratio of SiH 4 / (SiH 4 + N 2 ) is set to 0.15, 0.20, 0.25 and 0.33, and the other conditions are the same. The infrared absorption spectrum of the film is shown. Hydrogen taken into the silicon nitride film is present in the state of N-H bonds or Si-H bonds, the absorption peak around 3350 cm -1 and near 2160 cm -1, respectively, in FIG. 2 is appeared.
From this result, it can be seen that the size of the peak due to each bonding state changes depending on each flow rate ratio of SiH 4 . It is known that the amounts of hydrogen in the N—H bond state and hydrogen in the Si—H bond state are respectively calculated by the following formulas based on the peak areas of the N—H bond and the Si—H bond. Here, the amount of hydrogen is the number of hydrogen atoms.
(WA Lanford et al: J. App.
l. Phys. Vol. 49, No. 4, April
(See 1978) (N-H peak area) x 1.4 x 1.36 x 10 17
(Pieces / cm 2 ) (Si—H peak area) × 1.36 × 10 17
(Pieces / cm 2 ) The value of the amount of hydrogen obtained from the N—H peak area and the Si—H peak area according to the above formula is divided by the film thickness of the silicon nitride film to obtain the hydrogen content in each bonded state. (Pieces /
The value obtained as cm 3 is shown in FIG. In FIG. 3, SiH 4 / (Si
H 4 + N 2 ) flow rate value on the horizontal axis, and NH in the silicon nitride film when the flow rate ratio of SiH 4 is changed.
The vertical axis represents the value of the amount of hydrogen in the bonded state and the Si—H bonded state. Moreover, what is shown as Total is
It is the sum of the amount of hydrogen in the N—H bond state and the amount of hydrogen in the Si—H bond state. From this result, the flow rate ratio of SiH 4 and N-
There is a correlation between the hydrogen content and the hydrogen content of the SiH bond state of H bonding state, increasing the flow rate ratio of SiH 4 amount of hydrogen in N-H bonding state is reduced, conversely Si- It was found that the amount of hydrogen in the H-bonded state increased. Furthermore, N
It was found that the total amount of hydrogen in the —H bond state and hydrogen amount in the Si—H bond state decreased. In addition, SiH 4 / (S
iH 4 + N 2 ) is the ratio of the amount of hydrogen in the N—H bond state and the amount of hydrogen in the Si—H bond state to the value of the flow rate ratio (N−
H) / (Si-H) is also shown, but SiH
4 with increasing flow rate ratio (N-H) / (Si-
It was also found that the value of H) tends to decrease sharply and saturate to a value of 1 or less.
【0012】図4にはシリコン窒化膜成膜条件のうち、
他の成膜条件を同一とし、成膜原料ガスに与える放電エ
ネルギーとしてのマイクロ波電力のみを変化させた場合
のシリコン窒化膜中におけるN−H結合状態の水素量と
Si−H結合状態の水素量、N−H結合状態の水素量と
Si−H結合状態の水素量の総和、および(N−H)/
(Si−H)比を示しており、横軸としてマイクロ波電
力、縦軸として水素含有量または(N−H)/(Si−
H)比を示してある。この場合にもSiH4の流量比を
変化させた場合ほど顕著ではないが、やはり(N−H)
/(Si−H)比の値が変化する様子が見られる。FIG. 4 shows the silicon nitride film forming conditions.
The amount of hydrogen in the N—H bond state and hydrogen in the Si—H bond state in the silicon nitride film when only the microwave power as the discharge energy applied to the film forming raw material gas is changed under the same other film forming conditions Amount, the total amount of hydrogen in the N—H bond state and the amount of hydrogen in the Si—H bond state, and (N−H) /
(Si-H) ratio is shown, wherein the horizontal axis represents microwave power, and the vertical axis represents hydrogen content or (N-H) / (Si-.
H) ratio is shown. In this case as well, it is not as remarkable as when the flow rate ratio of SiH 4 is changed, but again (N−H)
It can be seen that the value of the / (Si-H) ratio changes.
【0013】次にシリコン窒化膜の応力と耐湿性につい
て評価した結果を述べ、(N−H)/(Si−H)比と
応力および耐湿性との関係を説明する。Next, the results of evaluating the stress and moisture resistance of the silicon nitride film will be described, and the relationship between the (N-H) / (Si-H) ratio and the stress and moisture resistance will be described.
【0014】まず、応力の測定法について以下に説明す
る。一般に半導体基板上に形成された薄膜の応力σfは
次の式で与えられる。 σf=[Es(ts)2/{6(1−rs)tf}]
(1/R−1/R0) ここで、Es:基板のヤング率、 rs:基板のポアッソン比、 である。結晶方位(100)の単結晶シリコン基板の場
合、 Es/(1−rs)=1.805×1011 N/m2 である。したがって、上式は、 σf={(ts)2/(6tf)}(1/R−1/R0) と変形できる。ただしここで、 ts:基板の厚さ tf:薄膜の膜厚 R :成膜後の基板の曲率半径 R0 :成膜前の基板の曲率半径 である。このときの基板の曲率半径を求める方法として
は、機械的手法により求める方法や光学的手法により求
める方法等が考えられるが、本発明においてはレーザー
光を基板面に照射し、その反射光の変位量から求めると
いう方法を採っている。First, a method of measuring stress will be described below. Generally, the stress σf of a thin film formed on a semiconductor substrate is given by the following equation. σf = [Es (ts) 2 / {6 (1-rs) tf}]
(1 / R-1 / R 0 ), where Es: Young's modulus of the substrate, rs: Poisson's ratio of the substrate, In the case of a single crystal silicon substrate having a crystal orientation (100), Es / (1-rs) = 1.805 × 10 11 N / m 2 . Therefore, the above equation can be transformed into σf = {(ts) 2 / (6tf)} (1 / R-1 / R 0 ). Here, ts is the thickness of the substrate tf is the thickness of the thin film R is the radius of curvature of the substrate after film formation R 0 is the radius of curvature of the substrate before film formation. As a method of obtaining the radius of curvature of the substrate at this time, a method of obtaining by a mechanical method, a method of obtaining by an optical method, and the like are conceivable. In the present invention, the substrate surface is irradiated with laser light and the displacement of reflected light The method of obtaining from the quantity is adopted.
【0015】次に耐湿性の評価について説明する。耐湿
性の評価にはプレッシャークッカーテストを用いてい
る。プレッシャークッカーテストは、プレッシャークッ
カー試験機の温度、湿度、圧力等を通常半導体装置が使
用される条件よりも過酷な条件に設定し、所定時間経過
後の膜特性を調べようとするものである。すなわち、こ
の試験を行なうことにより、短時間で通常数年間にわた
って半導体装置が使用されたと同様の状況を作ることが
できる。 プレッシャークッカーテスト後にはフーリエ
変換機能付き赤外吸収スペクトル測定器(FT−IR)
により、P=O(リンと酸素の二重結合)のピークの変
化を調べる。これはシリコン窒化膜の下層となるPSG
膜は、水分と反応するとPSG膜が本来持っているP=
Oの二重結合が切れて、P−O−Hという結合状態に変
化する現象に注目しているものである。すなわち、プレ
ッシャークッカーテストによって長時間高湿度という条
件下にさらした後においてもP=O二重結合のピークが
残っているものほど水分との反応が少なかったもの、つ
まり、水分の侵入が少なかったものと判断でき、耐湿性
に優れていると考えることができる。Next, the evaluation of moisture resistance will be described. A pressure cooker test is used to evaluate the moisture resistance. In the pressure cooker test, the temperature, humidity, pressure, etc. of the pressure cooker tester are set to be more severe than the conditions under which a semiconductor device is usually used, and the film characteristics after a predetermined time has passed are examined. That is, by performing this test, it is possible to create the same situation as when the semiconductor device is used for a short period of time, usually for several years. Infrared absorption spectrum measuring instrument with Fourier transform function (FT-IR) after pressure cooker test
, The change in the peak of P = O (double bond of phosphorus and oxygen) is investigated. This is the PSG under the silicon nitride film
When the membrane reacts with moisture, the PSG membrane originally has P =
It pays attention to the phenomenon in which the double bond of O is broken and changes to a bonded state of P-O-H. That is, the one having less P = O double bond peak even after being exposed to the condition of high humidity for a long time by the pressure cooker test had less reaction with water, that is, less water penetration. It can be judged that it is good, and it can be considered that it has excellent moisture resistance.
【0016】上記の方法による耐湿性の具体的な評価の
過程を説明する。評価に用いた試料は、4インチシリコ
ンウェハ上に減圧CVD法によりPSG膜を以下の成膜
条件で約8,000Å成膜したものを基板として用い
た。 PSG成膜条件 ガス種:SiH4 …… 20SC
CM 10%PH3/90%SiH4 …… 80SCCM O2 …… 200SCCM 圧力 :0.2Torr 温度 :430℃ 時間 :42min. 上記の条件で基板上にECR−CVD法により種々の条
件でシリコン窒化膜を約1,000Å成膜したもので耐
湿性の評価を行った。シリコン窒化膜を成膜した4イン
チシリコンウェハは4分割し、その内1枚を初期値(0
時間)評価用とし、他の3枚をプレッシャークッカー試
験機に導入してそれぞれ50時間、100時間、200
時間経過後の試料とした。なお、プレッシャークッカー
テストの条件として、温度121℃、湿度100%R
H、圧力2気圧とした。図5はプレッシャークッカーテ
スト後のFT−IRによる流量比SiH4/(SiH4+
N2)=0.15で成膜したシリコン窒化膜の赤外吸収
スペクトルであり、横軸を波数、縦軸を吸光率として示
してある。なお、吸光率の単位は任意単位として示して
ある。図5においては、1330cm-1付近に現われる
P=Oの二重結合を示すピークが、プレッシャークッカ
ーテストのテスト時間によって変化する様子が示されて
いる。図を見ると、プレッシャークッカーテスト0時間
のときには現われていたP=Oの二重結合を示すピーク
が、プレッシャークッカーテスト時間を長くするにした
がってなくなるように変化しているのがわかる。これは
上述したように、P=Oの二重結合がP−O−Hという
結合に変化すること、すなわちシリコン窒化膜中に水素
が取り込まれていくことを示している。このことをさら
に詳細に解析したもの、すなわち、プレッシャークッカ
ーテスト時間とP=Oピーク面積残存率の関係を示した
ものが図6である。図6においては、P=Oの二重結合
のピーク面積を、初期値(プレッシャークッカーテスト
0時間)を100%として規格化したことにより、異な
る成膜条件でのシリコン窒化膜の耐湿性を比較すること
ができる。A specific process of evaluating the moisture resistance by the above method will be described. As the sample used for evaluation, a PSG film was formed on a 4-inch silicon wafer by a low pressure CVD method under the following film forming conditions at about 8,000 Å as a substrate. PSG film forming conditions Gas type: SiH 4 ...... 20 SC
CM 10% PH 3 /90% SiH 4 ...... 80 SCCM O 2 ...... 200 SCCM Pressure: 0.2 Torr Temperature: 430 ° C. Time: 42 min. Moisture resistance was evaluated on the substrate under the above-mentioned conditions by the ECR-CVD method under which various conditions were used to deposit a silicon nitride film of about 1,000 liters. A 4-inch silicon wafer on which a silicon nitride film is formed is divided into four, and one of them is set to an initial value (0
Time) For evaluation, the other three sheets were introduced into the pressure cooker tester for 50 hours, 100 hours, and 200 hours, respectively.
The sample was used after the passage of time. The conditions for the pressure cooker test were a temperature of 121 ° C. and a humidity of 100% R.
H and pressure were 2 atm. FIG. 5 shows a flow rate ratio SiH 4 / (SiH 4 + by FT-IR after the pressure cooker test.
It is an infrared absorption spectrum of a silicon nitride film formed with N 2 ) = 0.15, where the horizontal axis is the wave number and the vertical axis is the absorptance. In addition, the unit of the absorptance is shown as an arbitrary unit. In FIG. 5, it is shown that the peak showing a double bond of P═O appearing around 1330 cm −1 changes depending on the test time of the pressure cooker test. From the figure, it can be seen that the peak showing the P = O double bond, which appeared when the pressure cooker test was 0 hours, changed so as to disappear as the pressure cooker test time was lengthened. This indicates that, as described above, the P = O double bond is changed to a P-O-H bond, that is, hydrogen is taken into the silicon nitride film. FIG. 6 shows a more detailed analysis of this, that is, a relationship between the pressure cooker test time and the P = O peak area residual rate. In FIG. 6, the peak area of the double bond of P = O was standardized with the initial value (pressure cooker test 0 hours) as 100% to compare the moisture resistance of the silicon nitride film under different film forming conditions. can do.
【0017】図7には、図3乃至図6を用いて説明した
方法によって算出または測定した(N−H)/(Si−
H)比に対するシリコン窒化膜の応力と耐湿性の関係を
示した。用いた試料は、成膜条件として原料ガス圧を1
×10-3Torr、マイクロ波電力を700W、基板温
度を100℃として、原料ガスであるSiH4とN2の流
量比を変化させて得、プレッシャークッカーテストを1
00時間行なった後のものである。図7において応力は
その値の絶対値が大きくなるほど大きくなり、マイナス
の符号は圧縮応力であることを示している。また、耐湿
性については任意単位であり、大きくなるほど耐湿性が
高いことを示している。その結果、(N−H)/(Si
−H)比の値が比較的大きい範囲では耐湿性は若干劣る
が低応力の膜となり、逆に(N−H)/(Si−H)比
の値が比較的小さい範囲では応力はやや大きくなってい
るものの耐湿性に優れた膜が形成されることがわかっ
た。FIG. 7 shows (N−H) / (Si−) calculated or measured by the method described with reference to FIGS. 3 to 6.
The relationship between the stress and moisture resistance of the silicon nitride film with respect to the (H) ratio is shown. The sample used had a source gas pressure of 1 as film forming conditions.
The pressure cooker test was conducted at a pressure cooker test of 1 × 10 −3 Torr, a microwave power of 700 W, a substrate temperature of 100 ° C. and a flow rate ratio of SiH 4 and N 2 as source gases.
It is after 100 hours. In FIG. 7, the stress increases as the absolute value of the value increases, and the minus sign indicates that it is compressive stress. Further, the moisture resistance is an arbitrary unit, and the larger the value, the higher the moisture resistance. As a result, (NH) / (Si
In the range where the value of -H) is relatively large, the moisture resistance is slightly inferior, but a low stress film is formed. On the contrary, in the range where the value of (N-H) / (Si-H) is relatively small, the stress is slightly large. However, it was found that a film having excellent moisture resistance was formed.
【0018】本発明は、シリコン窒化膜に関する上述し
たような種々の実験によって得た知見に基づいてなされ
たものである。すなわち、上述したような実験を繰り返
すことにより、N−H結合状態の水素量とSi−H結合
状態の水素量との比である(N−H)/(Si−H)の
値を変化させることにより異なる応力と耐湿性を有する
シリコン窒化膜が得られることを知り、さらに、パッシ
ベーション膜は応力が小さく耐湿性に優れていることが
要求されるが、その性質上全領域にわたりこの条件を満
たす必要はなく、基板側では応力が小さければ足り、表
面側では耐湿性に優れていれば足りることを知り、これ
を発明するに至ったのである。以下実施例に基づき、本
発明を詳細に説明する。The present invention was made on the basis of the knowledge obtained by the various experiments as described above regarding the silicon nitride film. That is, by repeating the experiment as described above, the value of (N-H) / (Si-H), which is the ratio of the amount of hydrogen in the N-H bond state to the amount of hydrogen in the Si-H bond state, is changed. It was found that a silicon nitride film having different stress and moisture resistance can be obtained, and further, the passivation film is required to have low stress and excellent moisture resistance. It was not necessary to know that it was sufficient that the stress was small on the substrate side, and it was sufficient on the surface side that the moisture resistance was excellent, and the inventors invented this. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples.
【0019】まず図1に示したように半導体基板上に絶
縁膜を形成し、さらに絶縁膜上の選択された部分に金属
配線層を形成する。さらに、上記金属配線層上および金
属配線層に覆われていない絶縁膜上に、ECR−CVD
法により以下の条件でシリコン窒化膜を形成する。金属
配線層までの形成方法およびシリコン窒化膜の形成方法
は、従来の半導体装置製造プロセスと同様にして形成で
きる。 成膜圧力 :1×10-3Torr マイクロ波電力:700W 基板温度 :100℃ ガス種 :SiH4,N2 ガス流量 :成膜開始時;SiH4 …… 15SC
CM,N2 …… 75SCCM, 成膜終了時;SiH4 …… 33SCCM,N2 …
… 67SCCM, ここで、ガス流量は成膜開始時、成膜終了時それぞれ上
記のとおりとし、SiH4流量は成膜開始時から成膜終
了時まで連続的に増加するように、また、N2流量は成
膜開始時から成膜終了時まで連続的に減少するようにマ
スフローコントローラによって制御する。この様子を図
8に示した。上記の条件で実際に成膜を行ったところ、
得られたシリコン窒化膜の膜厚は約1μmであった。First, as shown in FIG. 1, an insulating film is formed on a semiconductor substrate, and a metal wiring layer is further formed on a selected portion of the insulating film. Further, ECR-CVD is performed on the metal wiring layer and the insulating film not covered with the metal wiring layer.
A silicon nitride film is formed by the method under the following conditions. The formation method up to the metal wiring layer and the formation method of the silicon nitride film can be performed in the same manner as the conventional semiconductor device manufacturing process. Deposition pressure: 1 × 10 −3 Torr Microwave power: 700 W Substrate temperature: 100 ° C. Gas type: SiH 4 , N 2 gas flow rate: At the start of deposition; SiH 4 …… 15 SC
CM, N 2 ... 75 SCCM, at the end of film formation; SiH 4 ... 33 SCCM, N 2 ...
... 67SCCM, wherein, at the start gas flow deposition, during film formation ends respectively with as described above, so that SiH 4 flow rate is continuously increased from the start deposition until the completion of film formation, also, N 2 The flow rate is controlled by the mass flow controller so as to continuously decrease from the start of film formation to the end of film formation. This state is shown in FIG. When actually forming a film under the above conditions,
The thickness of the obtained silicon nitride film was about 1 μm.
【0020】本実施例によって得られたシリコン窒化膜
の膜厚方向における(N−H)/(Si−H)比を図9
に示した。図9を見ればわかるように、シリコン窒化膜
は基板側(下地側)では(N−H)/(Si−H)比の
値は大きく、表面側に行くにしたがって小さくなってい
る。この結果、図5を参照すれば明らかなように、基板
側では耐湿性では劣るが低応力であり、表面側では応力
は中程度であるが耐湿性に優れたシリコン窒化膜が得ら
れる。SiH4流量とN2流量を成膜開始時から成膜終了
時まで連続的に変化させているので、シリコン窒化膜に
含まれるN−H結合状態の水素量およびSi−H結合状
態の水素量は膜厚方向に連続的に分布し、シリコン窒化
膜全体としては基板との界面で応力が緩和され、かつ、
表面では高い耐湿性を有するパッシベーション膜として
充分な膜を得ることができる。The (N-H) / (Si-H) ratio in the film thickness direction of the silicon nitride film obtained in this embodiment is shown in FIG.
It was shown to. As can be seen from FIG. 9, the silicon nitride film has a large (N-H) / (Si-H) ratio value on the substrate side (base side) and decreases toward the surface side. As a result, as is apparent from FIG. 5, a silicon nitride film having a low moisture resistance on the substrate side but a low stress, and a moderate stress on the surface side but a high moisture resistance can be obtained. Since the SiH 4 flow rate and the N 2 flow rate are continuously changed from the start of film formation to the end of film formation, the amount of hydrogen in the N—H bond state and the amount of hydrogen in the Si—H bond state contained in the silicon nitride film. Is continuously distributed in the film thickness direction, the stress is relaxed at the interface with the substrate as a whole of the silicon nitride film, and
On the surface, a sufficient film can be obtained as a passivation film having high moisture resistance.
【0021】上述した実施例においては、SiH4流量
およびN2流量は成膜開始時から成膜終了時まで連続的
に増加または減少するように制御したが、段階的に増加
または減少するように制御することもできる。図10に
SiH4流量を成膜開始時から成膜終了時まで段階的に
増加するように、また、N2流量を成膜開始時から成膜
終了時まで段階的に減少するようにマスフローコントロ
ーラによって制御した場合のシリコン窒化膜成膜時間と
SiH4およびN2ガス流量との関係を示す。他の条件は
上述した実施例と同一である。この場合には図11に示
すように、シリコン窒化膜の(N−H)/(Si−H)
比の値は基板側(下地側)では大きく、表面側に行くに
したがって段階的に小さくなっている。この場合におい
ても上述した実施例と同様の効果を得ることができる。In the above-mentioned embodiment, the SiH 4 flow rate and the N 2 flow rate are controlled so as to continuously increase or decrease from the start of film formation to the end of film formation. It can also be controlled. FIG. 10 shows a mass flow controller for gradually increasing the SiH 4 flow rate from the start of film formation to the end of film formation, and decreasing the N 2 flow rate in a stepwise manner from the start of film formation to the end of film formation. The relationship between the silicon nitride film formation time and the SiH 4 and N 2 gas flow rates when controlled by The other conditions are the same as those in the above-described embodiment. In this case, as shown in FIG. 11, (N-H) / (Si-H) of the silicon nitride film
The ratio value is large on the substrate side (base side) and gradually decreases toward the surface side. Even in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
【0022】上述した2つの実施例と同様にして、成膜
期間中SiH4流量を連続的に増加させ、N2流量を段階
的に減少させることも可能であり、逆に、SiH4流量
を段階的に増加させ、N2流量を連続的に減少させるこ
とも可能である。さらに、成膜期間中SiH4流量を一
定としてN2流量のみを連続的または段階的に減少させ
る、あるいはN2流量を一定としてSiH4流量のみを連
続的または段階的に増加させてもよい。さらに、成膜期
間中SiH4流量およびN2流量を共に連続的または段階
的に増加させても、SiH4流量およびN2流量を共に連
続的または段階的に減少させても、成膜後の(N−H)
/(Si−H)比の値が基板側から表面側にかけて連続
的または段階的に減少するよう諸条件を設定しさえすれ
ば、本発明を達成することができる。要は、成膜後の
(N−H)/(Si−H)比の値が基板側から表面側に
かけて連続的または段階的に減少するようにすればよい
のである。It is possible to continuously increase the SiH 4 flow rate and gradually decrease the N 2 flow rate during the film formation period in the same manner as the above-mentioned two embodiments, and conversely, to change the SiH 4 flow rate. It is also possible to increase in steps and continuously decrease the N 2 flow rate. Furthermore, it may be a SiH 4 flow rate during the deposition period N 2 flow only continuously or stepwise increased only SiH 4 flow continuously or stepwise reduced, or N 2 flow rate is constant as a constant. Furthermore, even if both the SiH 4 flow rate and the N 2 flow rate are continuously or stepwise increased during the film formation period, or the SiH 4 flow rate and the N 2 flow rate are both continuously or stepwise decreased, the (N-H)
The present invention can be achieved as long as the conditions are set so that the value of the / (Si-H) ratio decreases continuously or stepwise from the substrate side to the surface side. The point is that the value of the (N-H) / (Si-H) ratio after film formation may be reduced continuously or stepwise from the substrate side to the surface side.
【発明の効果】以上のように本発明においては、金属配
線層上にシリコン窒化膜を有する半導体装置において、
前記シリコン窒化膜における膜中含有水素がN−H結合
状態およびSi−H結合状態で存在し、前記N−H結合
状態の水素量と前記Si−H結合状態の水素量との比で
ある(N−H)/(Si−H)の値を前記シリコン窒化
膜の表面側で基板側より小さくしているので、応力が小
さく耐湿性に優れたパッシベーション膜を、製造工程が
簡単な単層で得ることができる。また本発明において
は、前記半導体装置において、前記シリコン窒化膜はE
CR−CVD法により形成しているので、パッシベーシ
ョン膜を水素含有量が少なくなるように得ることができ
るので、特性及び信頼性の非常に優れた半導体装置を得
ることができる。As described above, according to the present invention, in the semiconductor device having the silicon nitride film on the metal wiring layer,
Hydrogen contained in the film in the silicon nitride film exists in the N—H bond state and the Si—H bond state, and is the ratio of the hydrogen amount in the N—H bond state to the hydrogen amount in the Si—H bond state ( Since the value of (N−H) / (Si—H) is set smaller on the surface side of the silicon nitride film than on the substrate side, a passivation film having a small stress and excellent moisture resistance can be formed by a single layer with a simple manufacturing process. Obtainable. In the present invention, in the semiconductor device, the silicon nitride film is E
Since the passivation film is formed by the CR-CVD method, the passivation film can be obtained with a low hydrogen content, so that a semiconductor device having excellent characteristics and reliability can be obtained.
【図1】本発明の基本的な構成を表す半導体装置の断面
図である。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device showing a basic configuration of the present invention.
【図2】成膜原料ガスとしてSiH4とN2を用いてEC
R−CVD法により形成したシリコン窒化膜の赤外吸収
スペクトルである。[FIG. 2] EC using SiH 4 and N 2 as film forming source gases
It is an infrared absorption spectrum of the silicon nitride film formed by the R-CVD method.
【図3】SiH4/(SiH4+N2)の流量比と、シリ
コン窒化膜中におけるN−H結合状態の水素量とSi−
H結合状態の水素量、N−H結合状態とSi−H結合状
態の水素量の総和、および(N−H)/(Si−N)比
の値の関係を示すグラフである。FIG. 3 is a flow rate ratio of SiH 4 / (SiH 4 + N 2 ), the amount of hydrogen in the N—H bond state and the amount of Si− in the silicon nitride film.
It is a graph which shows the relationship between the amount of hydrogen in the H-bonded state, the total amount of hydrogen in the N-H bonded state and the Si-H bonded state, and the value of the (N-H) / (Si-N) ratio.
【図4】成膜原料ガスに与える放電エネルギーとしての
マイクロ波電力に対するシリコン窒化膜中におけるN−
H結合状態の水素量とSi−H結合状態の水素量、N−
H結合状態とSi−H結合状態の水素量の総和、および
(N−H)/(Si−N)比の値の関係を示すグラフで
ある。FIG. 4 shows N- in a silicon nitride film with respect to microwave power as discharge energy given to a film forming source gas.
H-bonded hydrogen amount and Si-H bonded state hydrogen amount, N-
It is a graph which shows the sum total of the amount of hydrogen of a H bond state and a Si-H bond state, and the relationship of the value of a (NH) / (Si-N) ratio.
【図5】プレッシャークッカーテストを行なった後のF
T−IR測定器によるP=Oの二重結合のピークを示し
たものである。FIG. 5: F after performing a pressure cooker test
It shows a peak of a double bond of P = O measured by a T-IR measuring instrument.
【図6】プレッシャークッカーテスト時間とP=Oピー
ク面積残存率の関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the pressure cooker test time and the P═O peak area residual rate.
【図7】(N−H)/(Si−H)比に対するシリコン
窒化膜の応力および耐湿性の関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the stress and moisture resistance of the silicon nitride film with respect to the (N−H) / (Si—H) ratio.
【図8】実施例におけるシリコン窒化膜の成膜時間に対
するSiH4流量およびN2流量の関係を示すグラフであ
る。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the flow rate of SiH 4 and the flow rate of N 2 with respect to the film formation time of the silicon nitride film in the example.
【図9】実施例によって得られたシリコン窒化膜の膜厚
方向における(N−H)/(Si−H)の比の値を示す
グラフである。FIG. 9 is a graph showing the value of the (N−H) / (Si—H) ratio in the film thickness direction of the silicon nitride film obtained by the example.
【図10】他の実施例におけるシリコン窒化膜の成膜時
間に対するSiH4流量およびN2流量の関係を示すグラ
フである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the SiH 4 flow rate and the N 2 flow rate with respect to the film formation time of a silicon nitride film in another example.
【図11】他の実施例によって得られたシリコン窒化膜
の膜厚方向における(N−H)/(Si−H)の比の値
を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the value of the (N−H) / (Si—H) ratio in the film thickness direction of the silicon nitride film obtained by another example.
1 半導体基板 2 絶縁膜 3 金属配線層 4 シリコン窒化膜 1 semiconductor substrate 2 insulating film 3 metal wiring layer 4 silicon nitride film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 23/31 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI technical display location H01L 23/31
Claims (6)
導体装置において、前記シリコン窒化膜における膜中含
有水素がN−H結合状態およびSi−H結合状態で存在
し、前記N−H結合状態の水素量と前記Si−H結合状
態の水素量との比である(N−H)/(Si−H)の値
が前記シリコン窒化膜の表面側で基板側より小さいこと
を特徴とする半導体装置。1. A semiconductor device having a silicon nitride film on a metal wiring layer, wherein hydrogen contained in the silicon nitride film exists in an N—H bond state and a Si—H bond state, and the N—H bond state. The ratio of (NH) / (Si-H), which is the ratio of the amount of hydrogen in the above to the amount of hydrogen in the Si-H bond state, is smaller on the surface side of the silicon nitride film than on the substrate side. apparatus.
基板側から表面側にかけて連続的または段階的に減少し
ていることを特徴とする請求項第1項記載の半導体装
置。2. The value of the (N-H) / (Si-H) ratio decreases continuously or stepwise from the substrate side to the surface side. Semiconductor device.
より形成したことを特徴とする請求項第1項、または第
2項に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon nitride film is formed by an ECR-CVD method.
であることを特徴とする請求項第1項、第2項または第
3項に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon nitride film is a passivation film.
量の総数が3×1022個/cm9以下であることを特徴
とする請求項第1項、第2項、第3項、または第4項に
記載の半導体装置。5. The silicon nitride film according to claim 1, wherein the total amount of hydrogen contained in the film is 3 × 10 22 / cm 9 or less. The semiconductor device according to item 4.
る水素含有量の比(N−H)/(Si−H)の値が基板
側で4以上であり、表面側で2以下であることを特徴と
する請求項第1項、第2項、第3項または第4項に記載
の半導体装置。6. The hydrogen content ratio (N—H) / (Si—H) in the silicon nitride film depending on the bonding state is 4 or more on the substrate side and 2 or less on the surface side. The semiconductor device according to claim 1, claim 2, claim 3, or claim 4.
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